第四章变压器1.ppt

4.1 变压器的基本结构、工作原理变压器的基本结构、工作原理及分类及分类一、变压器的基本结构：一、变压器的基本结构：电电力力变变压压器器的的基基本本构构成成部部分分有有：铁铁心心、绕绕组组、绝绝缘缘套套管管、油油箱箱及及其其他他附附件件等等，其其中中铁铁心心和和绕绕组组是是变变压压器器的的主主要要部部件件，称称为为器器身。下图是油浸式电力变压器的结构图。身。下图是油浸式电力变压器的结构图。油浸式电力变压器油浸式电力变压器简化图简化图:1、铁心和绕组：最主要的部、铁心和绕组：最主要的部件，构成件，构成变压器的器身。变压器的器身。铁心：构成变压器的磁路，同时又是套装绕铁心：构成变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。组的骨架。铁心由铁心由铁心柱和铁轭铁心柱和铁轭两部分构两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。起来形成闭合磁路。l铁心材料铁心材料：为了提高磁路的导磁性能，减：为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般用少铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般用高磁导率的磁性材料高磁导率的磁性材料硅钢片叠成。硅硅钢片叠成。硅钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为0.350.350.50.5mmmm，两面涂以厚两面涂以厚0.020.020.230.23mmmm的漆膜，的漆膜，使片与片之间绝缘。使片与片之间绝缘。l铁铁心心型型式式 ：心心式式、壳壳式式和和渐渐开开线线式式等等形式。形式。壳壳式式结结构构的的特特点点：铁铁心心包包围围绕绕组组的的顶顶面面、底面和侧面；底面和侧面；心式结构的特点：铁心柱被绕组包围。心式结构的特点：铁心柱被绕组包围。壳式变压器壳式变压器心式变压器心式变压器l壳壳式式结结构构的的机机械械强强度度较较好好，但但制制造造复复杂；杂；l心心式式结结构构比比较较简简单单，绕绕组组的的装装配配及及绝绝缘缘比比较较容容易易，电电力力变变压压器器的的铁铁心心主主要要采用心式结构。采用心式结构。l铁铁心心叠叠装装 ：一一般般由由剪剪成成一一定定形形状状的的硅硅钢钢片片叠叠装装而而成成。为为了了减减小小接接缝缝间间隙隙以以减减小小激激磁磁电电流流，一一般般采采用用交交错错式式叠叠法法，使使相邻层的接缝错开相邻层的接缝错开。l铁铁心心截截面面:铁铁心心柱柱的的截截面面一一般般做做成成阶阶梯梯形形，以以充充分分利利用用绕绕组组内内圆圆空空间间。容容量量较较大大的的变变压压器器，铁铁心心中中常常设设有有油油道道，以改善铁心内部的散热条件。以改善铁心内部的散热条件。绕组：绕组：绕组是变压器的电路部分，它由绕组是变压器的电路部分，它由铜或铝绝缘导线绕制而成铜或铝绝缘导线绕制而成。l一次绕组（原绕组）：输入电能一次绕组（原绕组）：输入电能l二次绕组（副绕组）：输出电能二次绕组（副绕组）：输出电能l一次和二次绕组通常套装在同一铁心柱上，一次和二次绕组通常套装在同一铁心柱上，具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。一、二次绕组具有不同的电压和电流。l两个绕组中，电压较高的称为两个绕组中，电压较高的称为高压绕组高压绕组；电压较低的称为电压较低的称为低压绕组低压绕组。l从高、低压绕组的相对位置来看，变压器从高、低压绕组的相对位置来看，变压器的绕组又可分为的绕组又可分为同心式、交叠式同心式、交叠式。l由于同心式绕组结构简单，制造方便，所由于同心式绕组结构简单，制造方便，所以，国产电力变压器均采用这种结构，交以，国产电力变压器均采用这种结构，交叠式主要用于特种变压器中。叠式主要用于特种变压器中。2、其他部件：、其他部件：除器身外，典型的除器身外，典型的油浸式电力变压器中还有油浸式电力变压器中还有油箱、变油箱、变压器油、绝缘套管及继电保护装置压器油、绝缘套管及继电保护装置等部件。等部件。二、变压器的工作原理：二、变压器的工作原理：工作原理工作原理：其中：其中：可见，可见，只要改变线圈的匝数，就能达到改变电压只要改变线圈的匝数，就能达到改变电压的目的的目的。若：若：三、变压器的分类：三、变压器的分类：变压器的种类很多，可按其变压器的种类很多，可按其用途、结构、相用途、结构、相数、冷却方式数、冷却方式等不同来进行分类。等不同来进行分类。1 1、按用途分类：、按用途分类：l电力变压器电力变压器（主要用在输配电系统中，又（主要用在输配电系统中，又分为升压变压器、降压变压器、联络变压分为升压变压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器）器和厂用变压器）l仪用互感器仪用互感器（电压互感器和电流互感器）（电压互感器和电流互感器）l特种变压器特种变压器（如调压变压器、试验变压器、（如调压变压器、试验变压器、电炉变压器、整流变压器、电焊变压器）电炉变压器、整流变压器、电焊变压器）等。等。2 2、按绕组数目分类、按绕组数目分类:有双绕组变压器、三绕有双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器、自耦变压器；组变压器、多绕组变压器、自耦变压器；3 3、按铁心结构分类：有心式变压器和壳式变、按铁心结构分类：有心式变压器和壳式变压器；压器；4 4、按相数分类：有单相变压器、三相变压器、按相数分类：有单相变压器、三相变压器和多相变压器；和多相变压器；5 5、按冷却介质和冷却方式分类：有油浸式变、按冷却介质和冷却方式分类：有油浸式变压器（包括油浸自冷式、油浸风冷式、油压器（包括油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式）、干式变压器、充气式浸强迫油循环式）、干式变压器、充气式变压器。变压器。6 6、电力变压器按容量大小通常分为：、电力变压器按容量大小通常分为：l小型变压器（容量小型变压器（容量1010630630kVAkVA）l中型变压器（容量中型变压器（容量80080063006300kVAkVA）l大型变压器（容量大型变压器（容量800080006300063000kVAkVA）l特大型变压器（容量特大型变压器（容量9000090000kVAkVA及以上）及以上）四、额定值：四、额定值：额额定定值值是是制制造造厂厂对对变变压压器器在在指指定定工工作作条条件件下下运运行行时时所所规规定定的的一一些些量量值值。额额定定值值通通常常标标注注在在变变压压器器的的铭铭牌牌上上。变变压压器器的的额额定定值值主要有：主要有：l额定容量额定容量S SN N 额额定定运运行行时时的的视视在在功功率率。以以VAVA、kVAkVA或或MVAMVA表表示示。由由于于变变压压器器的的效效率率很很高高，通通常常一、二次侧的额定容量设计成相等；一、二次侧的额定容量设计成相等；l额定电压额定电压U U1N1N和和U U2N2N 正正常常运运行行时时规规定定：加加在在一一次次侧侧的的端端电电压压称为变压器一次侧的额定电压称为变压器一次侧的额定电压U U1N 1N；二二次次侧侧的的额额定定电电压压U U2N2N 是是指指变变压压器器一一次次侧加额定电压侧加额定电压U U1N1N时时二次侧的空载电压二次侧的空载电压；额额定定电电压压以以V V或或kVkV表表示示。对对三三相相变变压压器器，额定电压是指线电压。额定电压是指线电压。额定电流额定电流I I1N1N和和I I2N2N根根据据额额定定容容量量和和额额定定电电压压计计算算出出的的线线电电流流，称称为为 额定电流，以额定电流，以A A表示。表示。对单相变压器：对单相变压器：对对三相三相变压变压器器：l额定频率额定频率 fN：我国工频我国工频5050HZHZ。除除额额定定值值外外，变变压压器器的的相相数数、绕绕组组连连接接方方式式及及联联结结组组别别、短短路路电电压压、运运行行方方式式和和冷却方式冷却方式等均标注在铭牌上。等均标注在铭牌上。额额定定状状态态是是变变压压器器的的理理想想工工作作状状态态，具有优良的性能，可长期工作。具有优良的性能，可长期工作。4.2 变压器的变压器的空载运行空载运行一、空载运行的物理现象：一、空载运行的物理现象：1.空载运行：空载运行：是指变压器一次绕组接到是指变压器一次绕组接到额定电压、额定频率的电源上，二次额定电压、额定频率的电源上，二次绕组开路时的运行状态。绕组开路时的运行状态。2.2.物理现象：物理现象：l主磁通主磁通l漏磁通漏磁通变压器的变压器的空载运行空载运行变压器空载时的电磁关系主磁通和漏磁通的区别：主磁通和漏磁通的区别：l1 1）由于铁磁材料有饱和现象，主磁路的磁阻不是）由于铁磁材料有饱和现象，主磁路的磁阻不是常数，常数，主磁通与建立它的电流之间呈非线性关系。主磁通与建立它的电流之间呈非线性关系。而漏磁通的磁路大部分是非铁磁材料组成，所以而漏磁通的磁路大部分是非铁磁材料组成，所以漏磁路的磁阻基本上是常数，漏磁路的磁阻基本上是常数，漏磁通与产生它的漏磁通与产生它的电流呈线性关系；电流呈线性关系；l2 2）主磁通在一次、二次绕组中均感应电动势，当）主磁通在一次、二次绕组中均感应电动势，当二次方接上负载时便有电功率向负载输出，故二次方接上负载时便有电功率向负载输出，故主主磁通起传递能量的作用磁通起传递能量的作用。而漏磁通仅在一次绕组。而漏磁通仅在一次绕组中感应电动势，中感应电动势，不能传递能量，仅起压降作用；不能传递能量，仅起压降作用；l因此，在分析变压器和交流电机时常将主磁通和因此，在分析变压器和交流电机时常将主磁通和漏磁通分开处理。漏磁通分开处理。二、正方向的规定：二、正方向的规定：从从理理论论上上讲讲，正正方方向向可可以以任任意意选选择择，因因各各物物理理量量的的变变化化规规律律是是一一定定的的，并并不不依依正正方方向向的的选选择择不不同同而而改改变变。但但正正方方向向规规定定不不同同，列列出出的的电电磁磁方方程程式式和和绘绘制制的的相相量量图图也也不不同同。在在电电机机学学科科中中通通常常按按习习惯方式规定正方向，称为惯例。惯方式规定正方向，称为惯例。具体原则如下：具体原则如下：l1）在在负负载载支支路路，电电流流的的正正方方向向与与电电压压降降的的正正方方向向一一致致，而而在在电电源源支支路路，电电流流的的正正方方向向与与电电动动势势的的正方向一致；正方向一致；l2 2）磁磁通通的的正正方方向向与与产产生生它它的的电电流流的的正正方方向向符符合合右右手螺旋定则；手螺旋定则；l3）感感应应电电动动势势的的正正方方向向与与产产生生它它的的磁磁通通的的正正方方向向符合右手螺旋定则。符合右手螺旋定则。l电电压压u1,u2的的正正方方向向表表示示电电位位降降低低，电电动动势势e1,e2的正方向表示电位升高；的正方向表示电位升高；l在一次边在一次边，u1由首端指向末端，由首端指向末端，i1 1从首端流入；从首端流入；l当当u1与与i1同同时时为为正正或或同同时时为为负负时时，表表示示电电功功率率从从一次方输入，称为电动机惯例；一次方输入，称为电动机惯例；l在在二二次次方方，u2和和i2的的正正方方向向由由e2的的正正方方向向决决定定，即即i2沿沿e2的的正正方方向向流流出出。当当u2和和i2同同时时为为正正或或同同时时为为负负时时，电电功功率率从从二二次次方方输输出出，称称为为发发电电机机惯惯例例。三、空载时的电磁关系：三、空载时的电磁关系：1）电动势与磁通的关系：）电动势与磁通的关系：设主磁通按正弦规律变化，即设主磁通按正弦规律变化，即 =msint 根据电磁感应定律，一、二次绕组中感应电动势的根据电磁感应定律，一、二次绕组中感应电动势的瞬时值为瞬时值为 ：式中：式中：注意：注意：从表达式可以看出，从表达式可以看出，电动势总是电动势总是滞后于产生的他的磁通滞后于产生的他的磁通90。相量：相量：2）电动势平衡方程式：电动势平衡方程式：根据对正方向的规定，可以得到空载时电根据对正方向的规定，可以得到空载时电动势平衡方程式：动势平衡方程式：将漏感电动势写成压降的形式将漏感电动势写成压降的形式：式中式中 Z1=R1+jx1一次绕组的漏阻抗。一次绕组的漏阻抗。对于电力变压器，空载时一次绕组的漏阻抗对于电力变压器，空载时一次绕组的漏阻抗压降压降I I0 0Z Z1 1很小，其数值不超过很小，其数值不超过U U1 1的的0.2%0.2%，将，将I I0 0Z Z1 1忽略，则上式变成：忽略，则上式变成：在二次方，由于电流为零，则其感应电动势在二次方，由于电流为零，则其感应电动势等于二次方的空载电压，即：等于二次方的空载电压，即：3 3）变压器的变比：）变压器的变比：一一次次、二二次次绕绕组组的的感感应应电电动动势势E1和和E2之之比比称称为为变变压压器的变比，用器的变比，用 K 表示，即表示，即:当变压器空载运行时，由于当变压器空载运行时，由于U1E1，U20E2，故可故可近似地用空载运行时一次、二次方的电压比来作为近似地用空载运行时一次、二次方的电压比来作为变压器的变比，即变压器的变比，即对对于于三三相相变变压压器器，变变比比是是指指一一次次、二二次次方方相相电电动动势势之比，即额定相电压之比。之比，即额定相电压之比。4 4）空载电流：）空载电流：变变压压器器空空载载运运行行时时,i0 主主要要用用来来产产生生磁磁场场，又又称称为为励磁电流。励磁电流。l不不考考虑虑铁铁心心损损耗耗时时，励励磁磁电电流流是是纯纯磁磁化化电电流流，用用 i来来表表示示。由由于于磁磁路路饱饱和和现现象象，磁磁化化电电流流 i与与产产生生它它的的磁磁通通之之间间的的关关系系是是非非线线性性的的。当当磁磁通通按按正正弦弦规规律律变变化化时时，励励磁磁电电流流为为尖尖顶顶波波，根根据据谐谐波波分分析析方方法法，尖尖顶顶波波可可分分解解为为基基波波和和3 3、5 5、77次次谐谐波波。除除基基波波外外，三三次次谐谐波波分分量量最最大大。这这就就是是说说，由由于于铁铁磁磁材材料料磁磁化化曲曲线线的的非非线线性性关关系系，要要在在变变压压器器中中建建立立正正弦弦波波磁磁通通，励励磁磁电电流流必必须须包包含含三三次次谐谐波波分分量。量。为为了了在在相相量量图图中中表表示示励励磁磁电电流流i，可可以以用用等等效效正正弦弦波电流来代替非正弦波励磁电流，其有效值为波电流来代替非正弦波励磁电流，其有效值为从从上上图图中中，可可以以看看出出励励磁磁电电流流 i 与与磁磁通通 是同相位的。是同相位的。l当当考考虑虑铁铁心心损损耗耗时时，励励磁磁电电流流 i0 中中还还必必须包含铁耗分量，即须包含铁耗分量，即iFe=这时激磁电流这时激磁电流 i0将超前磁通一相位角将超前磁通一相位角。或或四、空载时的向量图和等效电路四、空载时的向量图和等效电路:1)1)空载时的向量图空载时的向量图:我们已知我们已知Zm称为变压器的激磁阻抗。称为变压器的激磁阻抗。l这样这样,变压器一次边的电动势方程可写成：变压器一次边的电动势方程可写成：令：令：R1是一次绕组的电阻，是一次绕组的电阻，x1是对应一次绕组是对应一次绕组的漏磁电抗，它们数值很小且为常数；的漏磁电抗，它们数值很小且为常数；Rm、x m却受铁心饱和度的影响，不是常数。却受铁心饱和度的影响，不是常数。当频率一定时，若外加电压升高，则主磁通当频率一定时，若外加电压升高，则主磁通增大，铁心饱和度程度增大，铁心饱和度程度增加，磁增加，磁导导m m下降下降，减小。同减小。同时铁时铁耗耗pFe增大，增大，但但pFe增大的程度比增大的程度比I02增大的程度小，由增大的程度小，由p pFeFe=I02Rm，则则Rm亦减小亦减小。反之。反之,若外加电压降低若外加电压降低,则则Rm、xm,增大。增大。即即Zm随随铁心饱和度程度铁心饱和度程度增增加加而减小。而减小。但通常外加电压是一定的但通常外加电压是一定的,在正常运行范围内在正常运行范围内(从空载到满载从空载到满载)，主磁通基本不变，磁路的主磁通基本不变，磁路的饱和程度也基本不变，因而饱和程度也基本不变，因而Rm、xm可近似可近似看着常数。看着常数。从上面的分析可以总结出：从上面的分析可以总结出：Rm是表征铁心损耗的一个参数，而是表征铁心损耗的一个参数，而Xm是表征主磁通磁化性能的一个参数。是表征主磁通磁化性能的一个参数。Zm随随铁心饱和程度铁心饱和程度增加增加而减小。而减小。2 2）变压变压器器空空载时载时的等效的等效电电路路 xmR1x1Rm小结小结（1 1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡,若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定.（2 2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。（3 3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。关，铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。（4 4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电流的比值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小电抗的大小随磁路的饱和而减小随磁路的饱和而减小。4.3 变压器的负载运行变压器的负载运行当变压器一次边接入交流电源，二次边接上当变压器一次边接入交流电源，二次边接上负载时的运行方式称为变压器的负载时的运行方式称为变压器的负载运行负载运行。一、负载运行时的物理情况：一、负载运行时的物理情况：即从空载电流即从空载电流0变为负载时的电流变为负载时的电流1。一次绕组的。一次绕组的磁动势也从空载磁动势磁动势也从空载磁动势F0变为变为F1=I1N1。负载时负载时的主磁通的主磁通m就是由一次、二次绕组的合成磁动就是由一次、二次绕组的合成磁动势产生的，即：势产生的，即：变压器的负载运行变压器的负载运行负载运行时的电磁关系二、电动势平衡方程式：二、电动势平衡方程式：在一次方，电动势平衡方程式为：在一次方，电动势平衡方程式为：在二次方，电动势平衡方程式为：在二次方，电动势平衡方程式为：式中，式中，Z2=R2+jx2,二次绕组的漏阻抗，二次绕组的漏阻抗，R2、x2分别为二次绕组的电阻和漏电抗。分别为二次绕组的电阻和漏电抗。三、负载运行时的磁动势平衡方程式三、负载运行时的磁动势平衡方程式负载运行时的磁动势平衡方程式可写为负载运行时的磁动势平衡方程式可写为：将上式进行变化，可得：将上式进行变化，可得：或：或：这说明变压器负载运行时通过磁这说明变压器负载运行时通过磁动势平衡，使一次、二次方的电流紧动势平衡，使一次、二次方的电流紧密地联系在一起，二次方通过磁动势密地联系在一起，二次方通过磁动势平衡对一次方产生影响，二次方电流平衡对一次方产生影响，二次方电流的改变必将引起一次方电流的改变，的改变必将引起一次方电流的改变，电能就是这样从一次方传到了二次方。电能就是这样从一次方传到了二次方。四、变压器参数的折算：四、变压器参数的折算：l由由于于一一次次、二二次次绕绕组组的的匝匝数数、，感感应应电电动动势势1、2不不相相等等，给给分分析析变变压压器器的的工作特性和绘制相量图增加了困难；工作特性和绘制相量图增加了困难；l为为了了克克服服这这个个困困难难，常常用用一一假假想想的的绕绕组组来来代代替替其其中中一一个个绕绕组组，使使之之成成为为变变比比k=的的变变压压器器，这这样样就就可可以以把把一一次次、二二次次绕绕组组联联成成一一个个等等效效电电路路，简简化化变变压压器器的的分分析析计计算算。这种方法称为这种方法称为绕组折算绕组折算；l折折算算后后的的量量在在原原来来的的符符号号上上加加一一个个上上标标号号“”以示区别。以示区别。折折算算目目的的：获获得得等等效效电电路路；简简化化计计算算；画画相相量图量图。折算方法折算方法：(二次方折算到一次方）。二次方折算到一次方）。折算原则折算原则：和二次侧的各功率保持和二次侧的各功率保持不变。不变。1）二次方电流的折算值）二次方电流的折算值:2）二次方电动势的折算值：）二次方电动势的折算值：折折算算前前后后主主磁磁通通和和漏漏磁磁通通均均未未改改变变，根根据据电动势与匝数成正比的关系可得：电动势与匝数成正比的关系可得：3）二次方漏阻抗的折算值：）二次方漏阻抗的折算值：根据折算前后根据折算前后二次绕组的铜损耗不变的原则二次绕组的铜损耗不变的原则，有有：五、折算后得基本方程式、等效电路和相量图：五、折算后得基本方程式、等效电路和相量图：1）基本方程式：）基本方程式：2）等效电路：）等效电路：T型等效电路型等效电路3）相量图：）相量图：六、等效电路图的简化：六、等效电路图的简化：考虑到考虑到Z1 Zm，I0 I1N，当负载变化时，变当负载变化时，变化很小，可以认为不随负载的变化而变化。化很小，可以认为不随负载的变化而变化。这样，便可把这样，便可把T型等效电路进行简化处理：型等效电路进行简化处理：型等效电路型等效电路简化等效电路简化等效电路lRk、xk、zk分别为短路电阻、短路电抗、分别为短路电阻、短路电抗、短路阻抗；短路阻抗；l通常在做定性分析时用相量图比较形象直通常在做定性分析时用相量图比较形象直观，而在做定量计算时用等效电路比较简观，而在做定量计算时用等效电路比较简便。便。本章第一部分完本章第一部分完谢谢！谢谢！